工業測量系統設計中不同隔離方式的技術實現

電壓、電流、溫度、壓力、應力及流量等測量是工業及過程控制應用中的重要組成部分。此類應用環境常會涉及危險級電壓、瞬態信號、共模電壓及不穩定地電位，可能會損壞測量系統，降低測量精度。為了克服以上缺陷，工業應用中的測量系統設計會加入電氣隔離。本白皮書集中討論模擬測量中的隔離，解答隔離應用中的常見問題，還將涉及不同隔離方式的技術實現。

理解隔離

電氣意義上的隔離是將暴露于危險電壓1的傳感器信號與測試系統的低壓背板隔開。隔離能夠提供許多優勢，包括：

保護昂貴設備、用戶及數據不受瞬態電壓的危及。

改善噪聲抑制能力

消除接地環路

提高共模電壓抑制

隔離型測量系統為模擬前端和系統底板提供分離的接地面，將傳感器的測量與系統的其它部分隔離開。隔離前端的接地是懸空的引腳，可工作于大地接地以外的電壓。圖1為模擬電壓測量設備。傳感器地與測試系統地之間的任何共模電壓都能被抑制，從而避免了接地環路的引起和噪聲對傳感器線路造成影響。

圖1. 組隔離的模擬輸入電路

1危險電壓為大于30 Vrms， 42.4 Vpk，或60 VDC的電壓。

對隔離的需求

以下的測量系統需要考慮隔離：

與危險電壓鄰接

可能產生瞬態電壓的工業環境

存在共模電壓或不穩定地電位的環境

電氣噪聲環境，如存在工業電機

瞬態敏感的應用，必須避免在測量系統中出現電壓尖峰

工業測量、過程控制、及自動化測試是存在共模電壓、高瞬態電壓、及電氣噪聲的典型應用。具有隔離的測量設備能夠在嚴酷環境下提供可靠的測量。針對與患者直接接觸的醫療設備，隔離能夠有效避免設備中瞬態功率的傳輸。

根據用戶對電壓及數據率的要求，隔離測量可以有多種選擇。用戶可選擇用于筆記本、桌面PC、工業PC、PXI、平板PC、及CompactPCI的插入式板，它具有內置隔離或外置信號調理。用戶也可通過可編程自動控制器（PACs）及USB測量系統來實現隔離測量。

圖2.隔離型數據采集系統

實現隔離的方法

隔離要求信號通過隔離阻障傳輸，不能有直接電氣連接。常用的非接觸式信號傳輸器件有發光二極管（LED）、電容、電感等。此類器件的基本原理即是最常見的三種隔離技術：光電、電容、及電感耦合。

光電隔離

LED能在通電時發光。光電隔離利用LED與光電探測設備實現隔離阻障，通過光來傳輸信號。光電探測設備接受LED發出的光信號，再將其轉換成原始電信號。

圖3. 光電隔離

光電隔離是最常用的隔離方法。使用光電隔離的優勢是能夠避免電氣與磁場噪聲。而缺點則是傳輸速度受限于LED的轉換速度、高功率散射及LED磨損。

電容隔離

電容隔離是基于電荷聚集于電容板而產生的電勢變化。該變化從隔離阻障中測量得到，它與測量信號大小成比例。

圖4. 電容隔離

電容隔離的優點是能夠抑制電磁干擾。因為電容隔離不像光電隔離需要LED轉換，所以能支持更快的數據傳輸率。但由于電容耦合利用電勢來傳輸數據，因此容易受到外部電場的干擾。

電感耦合隔離

19世紀早期，丹麥物理學家Hans Oersted發現當電流通過線圈時會產生磁場。之后又發現，能在靠近產生變化磁場線圈的另一個線圈上獲得感應電流。另一個線圈上感應的電壓及電流大小取決于第一個線圈上的交變電流。該現象被稱為互感，它就是電感耦合的基本原理。

圖5. 電感耦合

電感耦合使用一對具有絕緣層的線圈。絕緣層隔離了物理信號的傳輸。一端線圈上的變化電流會在絕緣阻障另一端的線圈上感應類似的電流，信號就通過這種方式傳播。電感隔離提供與電容技術類似的高速傳輸。但由于電感耦合傳輸信號要涉及磁場，所以容易受到外部磁場干擾。

模擬隔離與數字隔離

現在，許多商用現貨器件集成了以上某項技術來實現隔離。對于模擬I/O通道，隔離可在模數轉換器（ADC）數字化信號前的模擬部分實現（模擬隔離），也可在ADC數字化信號后實現（數字隔離）。根據隔離實現位置的不同，用戶需要針對上述三種技術設計不同的電路。用戶可以根據數據采集系統的性能、成本及物理需求來決定選擇模擬隔離或數字隔離。圖6a及圖6b顯示了在兩種隔離的實現。

圖6a.模擬隔離

圖6b. 數字隔離

以下部分將詳細分析模擬隔離及數字隔離，并討論兩者不同的實現技術。

模擬隔離

隔離放大器是數據采集設備中模擬前端的常用隔離器件。圖6a的“ISO Amp”即為隔離放大器，在多數電路中都是模擬電路部分的首個器件。傳感器的模擬信號首先通過隔離放大器，實現隔離后再將其送入模數轉換電路。圖7為隔離放大器的常見布局。

圖7. 隔離放大器

在理想的隔離放大器中，模擬輸出信號應該與模擬輸入信號一致。圖7中標有“隔離”的部分采用了上文討論的技術（光電、電容、電感耦合），使信號通過隔離阻障。模塊化電路已為信號提供了隔離電路。對于光電方式，需要將信號數字化或轉換為不同的光強度。對于電容及電感方式，需要將信號轉換為不同的電場或磁場。解調電路讀取隔離電路的輸出，并將其轉換回原始模擬信號。

由于模擬隔離位于信號數字化之前，對于已有的無隔離數據采集設備，采用外部信號調理是最佳方案。此時，由數據采集設備來完成模數轉換，而由外部電路提供隔離。結合數據采集設備與外部信號調理，測量系統供應商能開發出多用途的數據采集設備及傳感器專用信號調理。圖8中采用隔離放大器設計靈活的信號調理，實現模擬隔離。將隔離置于模擬前端的另一個優點是能夠保護ADC及其它模擬電路免受電壓尖峰影響。

圖8.隔離放大器用于靈活的信號調理硬件

市面上有多款使用通用數據采集設備與外部信號調理的測量產品，如NI M系列的幾款非隔離型通用多用途數據采集設備，可提供高性能的模擬I/O及數字I/O。對于需要隔離的應用，您可以選用帶外部信號調理的M系列設備，如美國國家儀器公司的SCXI或SCC模塊。這些信號調理平臺提供隔離及專用信號調理功能，可直接與負載單元、應力規、pH傳感器等工業傳感器連接。

數字隔離

ADC是模擬輸入數據采集設備的關鍵器件之一。為了獲得最佳的性能，ADC的輸入信號應盡量與原始模擬信號一致。模擬隔離可能在信號傳輸到ADC的過程中引入增益、非線性、及偏移等誤差。ADC離信號源越近，性能就越好。由于模擬隔離器件價格昂貴且調整時間長，在過去，盡管數字隔離性能更好，但是為了保護昂貴的ADC，不得不選擇模擬隔離。隨著ADC價格不斷降低，測量設備的供應商正從對ADC的保護轉而追求數字隔離器以實現更好的性能及更低的成本，如圖9所示。

圖9. 16位模數轉換器價格不斷降低

圖片來源：美國國家儀器公司和ADC主要供應商

與隔離放大器相比，數字隔離器件成本更低，數據傳輸速率更高。數字隔離技術也在模擬電路工程師選擇器件及開發測量設備的光電模擬前端過程中，提供了更大的靈活性。具有數字隔離的產品使用限流及限壓保護電路來對ADC提供保護。數字隔離器件的基本原理與模擬隔離中光電、電容及電感耦合的原理相似。

主要的數字隔離器件供應商，如安華高科技（www.avagotech.com）、德州儀器（www.ti.com）、及Analog Devices （www.analog.com）等公司都基于以上基本原理開發了各自的隔離技術。安華高科技公司提供基于光電耦合的數字隔離器；德州儀器的隔離器基于電容耦合原理；Analog Devices公司的隔離器采用電感耦合方式。

光耦合器

光耦合器是基于光電耦合原理的數字耦合器，它使用時間最長，也是最常見的數字隔離方式。它能經受高壓，對電氣及磁場噪聲也有較高抑制能力。光耦合器常用于工業化數字I/O產品，如NI PXI-6514隔離數字I/O模塊（圖10）及NI PCI-7390工業運動控制器。

圖10. 使用光耦合器的工業化數字I/O產品

對于高速模擬測量，光耦合器存在速度及功率耗散的問題，光電耦合中也受到LED磨損的限制。相比光耦合器，基于電容及電感的數字隔離器所受限制更少些。

電容隔離

德州儀器提供基于電容耦合的數字隔離器件。這種隔離器具有高數據傳輸率及瞬態抑制能力。相比于電容及光電隔離，電感隔離的功率消耗更低。

電感隔離

Analog Devices的iCoupler技術開發于2001年（analog.com/iCoupler），它通過電感耦合原理實現數字隔離，適用于高速及高通道數應用。iCoupler設備能夠在16位模擬測量系統上提供100 Mb/s數據傳輸率，2，500 V電壓隔離，這意味著采樣率可達到兆級。不同于光耦合器，iCoupler設備具有更低的功率消耗、高達125 °C的工作溫度范圍、及25 kV/ms的瞬態電壓抑制能力。

iCoupler技術基于小型的芯片級變壓器。一款iCoupler設備包括三個主要部分：發送器、變壓器及接收器。發送器電路采用邊沿觸發編碼器，將上升沿和下降沿轉換為1ns的脈沖。脈沖由變壓器傳輸通過隔離阻障，并在接收電路端解碼，如圖11所示。約0.3毫米的小型變壓器幾乎不受外部磁場影響。iCoupler設備在每片集成電路（IC）上集成了4條隔離通道，從而降低了測量硬件的成本。與光耦合器相比，所需的外部器件更少。

圖11. Analog Devices公司基于電感耦合的iCoupler技術

來源： Analog Devices公司 （analog.com/iCoupler）

測量硬件供應商能通過iCoupler設備提供低成本的高性能數據采集系統。美國國家儀器公司用于高速測量的工業化數據采集（DAQ）設備，如工業化M系列多功能DAQ設備，采用了iCoupler數字隔離器，如圖12。此款設備提供60 VDC連續隔離，在多條模擬、數字通道上長達5s的1，400 Vrms/1，900 VDC通道-總線隔離，且采樣率高達250 kS/s。NI PAC平臺、NI CompactRIO、NI CompactDAQ及其它高速NI USB設備中的C系列模塊都采用了iCoupler技術。

圖12. 使用數字隔離器的工業化NI M系列多功能DAQ

總結

隔離型數據采集系統能在含有危險電壓、瞬態電壓等嚴酷的工業環境下提供可靠的測量。測量應用場合及周圍環境決定了是否需要使用隔離。如果在應用中要求使用單獨的通用數據采集系統與各類專用傳感器連接，則選擇可以進行外部信號調理的模擬隔離；相反，如果追求低成本、高性能的模擬輸入，則選擇采用數字隔離技術的測量系統。

責任編輯：gt